belépés / regisztráció
2019. április 20. szombat
Aktuális lapszám

Szimulációk az optimális szerkezetépítés tükrében

Az épülethomlokzat üvegezése nagymértékben befolyásolhatja a felhasználók komfortérzetét és munkateljesítményét az irodaházakban. E célból több-szempontú optimalizálással megvizsgáltuk a beltéri megvilágítás minőségét a beltéri vizuális komfortfeltételek függvényében. A kutatás tárgya a beltéri fény teljesítményének vizsgálata dinamikus Radiance fényszimulációval. A homlokzatoptimalizálást dinamikus EnergyPlus energiaszimuláció követte, amelyből megállapítottuk az üvegezés paramétereinek befolyását a termikus modell éves energiaigényeire, amellyel elértük a közel 80%-os fűtési energiamegtakarítást.

 

Az épületek energiaforgalmának jellemzése a mindennapi gyakorlatban számos tényezőn keresztül valósul meg. Egyik esetben arról beszélünk, hogy milyen vastag hőszigetelés került alkalmazásra, a másik esetben a nyílászárók hőátbocsátási tényezője kerül előtérbe. Amennyiben nem teljesítményeket állítunk középpontba, hanem az energia fogyasztását, akkor pl. az éves energiafelhasználás jellemzésére kézenfekvő tényezőnek mutatkozik a hasznos alapterületre vetített éves energiafelhasználás értéke.

A fentiekben illusztrált számszerűsítéseknek nyilván önállóan is van energetikai üzenete, azonban több kérdést is nyitva hagyhatnak. Pl.:

  • Az elkészült épület – az adott építési alrendszereken belül –, valóban a legjobb energetikai változatot jelenti-e?
  • Az elkészült épületnél kialakított épületburok a hűtési, vagy fűtési energiafogyasztás szempontjából mutatkozik megfelelőnek?
  • Az üvegszerkezetek – amelyek mind az épület külső megjelenésében, mind a belső térhez kötődő vizuális környezet létrehozásában, mind a szoláris energiaforgalom biztosításában jelentős és sajátos szerepet játszanak –, hogyan viszonyulnak a teljes épület energetikai rendszeréhez?

A fenti tényezők összhangját csak egy optimális megoldáson keresztül lehet megvalósítani. Ezen optimum megvalósításához azonban nem áll rendelkezésre egy „explicit képlet”, amelybe behelyettesítve egyszerűen eredményhez juthatunk. Első megközelítésben az optimális megoldás kereséséhez az alábbi tényezőket mindenképpen fel kell sorakoztatni:

  • Biztos, hogy több különböző változat elemzésére van szükség. A különböző változatokon keresztül lehet ugyanis egy-egy tényező szerepére rámutatni.
  • Az energetikai szereppel bíró valamennyi tényezőt fel kell sorakoztatni.
  • Az épületben lejátszódó épületfizikai folyamatokat a lehető legjobban kell megjeleníteni.
  • rámutat az optimalizációs eljárások szerkezetére.

A kutatás egy részletes elemzést mutat be az irodaépületek energiahatékonyságának javítása érdekében az épületburkolat befolyása szempontjából az éves fűtési és hűtési energiaigényekre. A kutatás célkitűzése egy hatékony módszer megfogalmazása az épületburkolat teljesítményének fokozása érdekében. Három kritérium szerint optimalizáltunk: a természetes térbeli fényszórást, a térbeli fényintenzitást és a naptényezőt elemeztük. A térbeli fényszórást dinamikus szimulációval futtattuk le Radiance programban. Az elemzések rávilágítanak a burkolatüvegezés fontos tulajdonságaira, amelyek alkalmazásával hatékony energiafelújítási megoldások találhatók. Az éves fűtési és hűtési energiaigényt három fő üvegezési paraméter függvényében állapítottuk meg: burkolatüvegezési arány, ablakgeometria és anyagtulajdonságok (hőátbocsátási tényező, összenergia átbocsátási tényező és fényáteresztő képesség). A burkolatoptimalizálást követően egy összehasonlító elemzést végeztünk el a referencia épület energiaigényei és az újonnan tervezett, több-zónás termikus modell szimulált fűtési és hűtési energiaigényei között, EnergyPlus programot alkalmazva.

Anyagok és módszertan

A beltéri világítás, a napfény minősége, a humán vizuális és termikus komfort számos kutatás témája [1-7]. Előzetes energiamodellezésen alapuló kutatások bemutatták, hogyan lehetséges termikus és fényszimuláció alkalmazásával részletesen megvizsgálni az épületek energiaigényét [8]. A burkolatüvegezés paramétereinek és a napsugárzás intenzitásának elemzése egyaránt fontos téma az energiahatékonyság növelésében [9, 10]. Az éves fűtési és hűtési energiaterhelések meghatározásának céljából egy több zónás, tízemeletes termikus modellt szerkesztettünk meg az Újvidéki Műszaki Tudományegyetem központi irodaházáról, amelynek urbanisztikai jellemzői az 1. táblázatban láthatók.

A dinamikus szimulációhoz szükséges részletes éghajlati adatokat a Meteonorm [11] adatbázisból töltöttük le EPW formátumban, amely beolvasható a Radiance és az Energy- Plus programban. A kutatás és a modellezés több fázisba osztható fel, ezek a következők:

  1. Geometriai modell szerkesztése, Autodesk Revit szoftver [12];
  2. Szoláris elemzés és dinamikus fényszimuláció, Ecotect Analysis és Radiance [13, 14];
  3. Többzónás termikus modell szerkesztése, Sketchup [15];
  4. Többzónás termikus modell paramétereinek adatbevitele, Open Studio [16];
  5. Dinamikus energiaszimuláció EnergyPlus [17].

Épülethomlokzat optimalizálása

Részletes fényszimuláció adatbevitele Radiance programban

A megszerkesztett CAD modelleket RVT extenzióval DXF formátumba konvertáltuk. A fényszimuláció adatbevitelét, majd a Render részletes adatbevitelét és beállítását a Radiance vezérlőablakban (eng. Radiance Control Panel) összegeztük. A részletes renderbeállítás az 1. ábrán látható. A renderfuttatás előtti részletes beállítást az összegző vezérlőablak után végeztük el. A 2. ábrán látható a render beállítása, kamerák látómezeje, felületek és anyagok tulajdonságai, és rendszervezérlők. A renderfuttatás részletessége módosítható.

A futtatásban háromszoros fényvisszaverődést alkalmaztunk közepes fényszórással és képminőség kivitelezéssel. Az elfogadott fényerősség skála 0-1000 lux volt. A fényerősség és fényszórás elemzése függ a vizsgálat dátumtól, az időintervallumtól, az égbolt tulajdonságaitól és a tájolástól. Az alapfeltétel a vizuális komfort állandó határértékeken belül tartása volt (350 és 500 lux). Éves szinten összesen 720 szimulációt futtattunk le, melyek eredményeit részletesen elemeztük. Összehasonlító elemzéssel megállapítottuk, hogy a függőleges, téglalap alakú ablakok beltéri fényszórásának teljesítménye a legjobb, mivel az ablakmagasság elősegíti a mélyebb fénybehatolást az irodákba, azonos üvegezési arányhoz és másik ablakformához viszonyítva. A következő kritérium a naptényező számítása volt a termikus zónák térbeli középpontjában. A szimulációt a következő üvegezési arányokra futtattuk le: 20%, 25%, 30%, és referens modell esetén 50%. Összesen 16 szimulációt végeztünk el, melyekből meghatároztuk a leghatékonyabb burkolatüvegezési arányt. A vizuális komfortot teljesítő naptényező optimális értéke 2. A legkisebb eltérésű eredményeket fogadtuk el, amelyek a 2. táblázatban láthatók. Az elfogadott üvegezési arány tájolásonként a naptényező függvényében 30%-os a keleti és nyugati burkolaton, és 25%-os a déli burkolaton, ahol irodák helyezkednek el.

Energyplus dinamikus energiaszimuláció

Épületszerkezet és ablaktípusok

A jelenlegi referens épület homlokzati falainak és födémszerkezetének hőátbocsátási tényezője meghaladja a 2.3 W/(m2K), amely érték nem teljesíti az épületenergetikai előírásokat. A szimulációban a homlokzati falakat 14 cm-es EPS hőszigetelő lemezekkel borítottuk be, ami jelentősen lecsökkentette a burkolat U-értékét 0.22 W/(m2K)-re, megfelelően a szerbiai és európai előírásoknak [18, 19]. A dinamikus energiaszimulációban 3 befolyásos ablakparamétert vizsgáltunk meg (hőátbocsátási tényező, összenergia átbocsátási tényező és fényáteresztőképesség), amelyek a 3. táblázatban láthatók. Az ablakok U-értékeinek választása 1.3 W/(m2K) és 0.7 W/(m2K) között volt. Nagy teljesítményű három-rétegű Pilkington Low-E üvegpanel szerkezeteket is alkalmaztunk az energiaszimulációban, amelyek visszatükrözik az infravörös energiahordozó sugarakat. Az épületben keletkezett energia ezúttal nem távozik nagy mennyiségben az üvegen keresztül.

Eredmények

A három termikus modellen lefuttatott dinamikus energiaszimuláció éves fűtési és hűtési energiaigényeit a 3. és 4. ábrák mutatják be. A legmagasabb éves energiaigényt az A1-es modellnél állapítottuk meg a magas összenergia átbocsátási tényező miatt, összesen 50 kWh/m2/év. Az A2-es modell valamivel alacsonyabb energiaigényt produkált 46 kWh/m2/év. Végül az A3-as modell összesen 38 kWh/m2/év energiát igényelt. Az éves energiaigények az A3-as modellnél 17%-kal voltak alacsonyabbak az A2-es modellhez viszonyítva és 24%-kal mutattak kevesebbet, mint az A1-es modell. Mindhárom ablaktípus megfelel a szerbiai épületenergetikai előírásoknak. A legalacsonyabb energiaigényt az A3- as modell mutatta. Az optimalizált épülethomlokzatú modell energiahatékonyságát összehasonlítottuk a referens épület 2012-es energiafelhasználásával, amely a 4. táblázatban látható.

Összegzés

A kutatás során megvizsgáltuk az épülethomlokzat üvegezési arányának és az üvegezés tulajdonságainak jelentőségét az éves energiaigények csökkentésében és a felhasználók vizuális és termikus komfortjának fenntartásában. A végeredmények igazolták, hogy a különböző szempontokat figyelembe vevő optimalizálással az üvegezési arány 50%-ról 30%-ra, illetve 25%-ra is csökkenthető. A kutatásban három üvegezési paramétert vizsgáltunk, amelyekből megállapítottuk, hogy az összenergia átbocsátási tényezőnek van a legnagyobb befolyása a belső energiaterhelésekre. Az optimális A3-as modell felújítási javaslatával elértük a közel 80%-os fűtési energiamegtakarítást.

Mivel az épületek energetikai követelményeinek meghatározásában számos paraméter szerepel, ezért elkerülhetetlen a dinamikus szimulációs programok alkalmazása, amelyek segítségével bármelyik paraméter befolyása külön-külön és együttesen is elemezhető.


Irodalomjegyzék

[1] D.H.W. Li, “A review of daylight illuminance determinations and energy implications,” Applied Energy, vol. 87, pp. 2109–2118, 2010.
[2] I.T. Dogrusoy, M. Tureyen, “A field study on determination of preferences for windows in office environments,” Building and Environment, vol.42, pp. 3660–3668, 2007.
[3] K. Konis, “Evaluating daylighting effectiveness and occupant visual comfort in a side-lit open-plan office building in San Francisco, California,” Building and Environment, vol. 59, pp. 662-677, 2013.
[4] A. Roetzel, A. Tsangrassoulis and U. Dietrich, “Impact of building design and occupancy on office comfort and energy performance in different climates,” Building and Environment, vol. 71, pp. 165-175, 2014.
[5] A. Nabil, J. Mardaljevic, “Useful daylight illuminance: a replacement for daylight factors,” Energy and Buildings, vol. 38, pp. 905–913, 2006.
[6] N. Harmati, Z. Magyar, “Energy consumption monitoring and energy performance evaluation of an office building,” Proceeding of the Fifth German- Austrian IBPSA Conference BauSim, Aachen, pp. 115-122, 22-24.09.2014.
[7] N. Harmati, Z. Magyar and R. Folić, “Building energy performance evaluation from the comfort aspect,” Proceedings of the International Congress E-nova on FH Burgenland, Pinkafeld, 13-15.11.2014.
[8] F. Goia, M. Haase and M. Perino, “Optimizing the configuration of a facade module for office buildings by means of integrated thermal and lighting simulations in a total energy perspective,” Applied Energy, vol. 108, pp. 515–527, 2013.
[9] J.T. Kim, M.S. Todorovic, “Tuning control of buildings glazing’s transmittance dependence on the solar radiation wavelength to optimize daylighting and building’s energy efficiency,” Energy and Buildings, v. 63, pp.108–118, 2013.
[10] M.S. Mayhoub, D.J. Carter, “The costs and benefits of using daylight guidance to light office buildings,” Building and Environment, vol. 46, pp. 698-710, 2011.
[11] Meteonorm 7, 2014, http://meteonorm.com/en/downloads
[12] Autodesk Revit Architecture, 2013, http://www.autodesk.com/products/revitfamily/ overview
[13] Autodesk Ecotect Analysis, 2013, http://usa.autodesk.com/ecotect-analysis/
[14] Desktop Radiance, 2013, http://radsite.lbl.gov/deskrad/download.htm
[15] Sketchup Make, 2013, http://www.sketchup.com/buy/education-licenses
[16] NREL Open Studio, 2013, http://openstudio.nrel.gov
[17] Energy Plus, 2013, http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus
[18] Official gazette RS no. 61/2011, Rules on conditions for the contents and manner of certificate issuance of energy performance for buildings, 2011.
[19] Directive 2012/27/EU of 25 October 2012 on Energy Efficiency, Official Journal of the European Union No. L 315, vol. 55, pp. 1-56, 2012.

***

1. táblázat. Referens épület urbanisztikai jellemzői
2. táblázat. Energiahatékonyság összehasonlítása (szimulált értékek és referens irodaépület)
1. ábra. Radiance render beállítás, összegző vezérlőablak
2. ábra. Render részletes beállítása a Radiance ablakban
3. ábra. Éves fűtési energiaigények
4. ábra. Éves hűtési energiaigények

Dr. Harmathy Norbert
BME, Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék

Dr. Várfalvi János PhD
BME, Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék

A szerzõ egyéb cikkei:

  Gondolatok az épületfizikai minõségről
  Depóniahő közvetlen hasznosítása II.
  Depóniahő közvetlen hasznosítása I.
  Fűtött üvegszerkezetek szerepe a belső tér hőérzeti és energetikai viszonyainak alakításában

Eseménynaptár

Hirdetés
Kiadja a Média az épületgépészetért Kft.
Szerkesztőség és kiadóhivatal:
H-1112 Budapest, Oltvány u. 43. I/2.
Telefon: +36 (1) 614 5688
E-mail: kiado@magyarinstallateur.hu

 
Előfizetésben terjeszti a Magyar Posta Zrt. Hírlap Igazg.
Előfizetés és reklamáció: +36 (1) 767-8262
E-mail: hirlapelofizetes@posta.hu
 
 
elfelejtettem a jelszavam